Crystal
chemical studies of incommensurately modulated mullite
Summary
The
crystal structure of mullite (2:1-mullite, i.e. 2Al2O3 . SiO2, Al4.8Si1.2O9.6, Z=1) is characterized by
chains of edge-sharing AlO6 octahedra linked by
double chains of (Al,Si)O4 tetrahedra affected by vacancies on the bridging oxygen
position. Angel et al. 1991 (Amer. Mineral. 76, 332-342) studied the
incommensurately modulated structure with the conclusion that the cations and
oxygen vacancies are partially ordered in mullite.
However, they used a mullite single crystal of low
quality for their studies, and thus were not able to provide the information
required to fully understand the real structure of mullite.
It is the aim of this study to gain further understanding by crystal structure
analysis in higher dimensional space based on neutron diffraction data of Bragg
and super-structure reflections. A clear inclusion-free Czochralski-grown
mullite single crystal is available for that purpose.
The experimental works will be accompanied by oxygen vacancy modeling
calculations. The findings of the ordering patterns will be correlated with the
lattice parameters and properties of mullite like
elasticity and thermal expansion.
Zusammenfassung
Das charakteristische Merkmal der
Kristallstruktur von Mullit (2:1-Mullite, 2Al2O3 .
SiO2, Al4.8Si1.2O9.6, Z=1) wird durch die Ketten kantenverknüpfter AlO6
Oktaeder bestimmt, die durch Doppelketten von (Al,Si)O4
Tetraedern verknüpft sind, wobei an der Position des verbrückenden
Sauerstoffatoms Leerstellen auftreten. Angel et al. 1991 (Amer. Mineral. 76,
332-342) haben die inkommensurabel modulierte Struktur untersucht und
herausgefunden, dass die Kationen und Leerstellen in Mullit
teilweise geordnet sind. Die schlechte Qualität des Kristalls erlaubte aber
keine genaueren Aussagen zur Realstruktur des Mullits.
Es ist das Ziel des vorliegenden Antrags, ein genaueres Verständnis der
inkommensurablen Struktur des Mullits im
höherdimensionalen Raum anhand von Bragg- und Überstrukturreflexen mittels
Neutronenbeugung zu erlangen. Für diese Untersuchungen steht ein nach der Czochralski Methode gezüchteter Kristall zur Verfügung. Die
Ergebnisse der Kristallstrukturanalyse sollen mit Rechnungen zur Modellierung
der Sauerstoffleerstellenverteilung ergänzt werden. Weiterhin soll das
Ordnungsschema der Kationen und Leerstellen mit den Gitterparametern und
physikalischen Eigenschaften des Mullits, wie
Elastizität und thermische Dehnung, korreliert werden.
Schneider, Hartmut, Fischer, Reinhard X. & Schreuer,
J., 2015. Mullite: Crystal Structure and Related Properties. Journal of the American
Ceramic Society, 98(10): 2948–2967, http://dx.doi.org/10.1111/jace.13817. Available online
since 20.9.2015.
Fischer, Reinhard X.,
Tikhonova, Valeria, Birkenstock, Johannes, Fischer, L.A., Herrmann, K., Mengel,
K. & Schneider, Hartmut, 2015. A new mineral from the Bellerberg,
Eifel, Germany, intermediate between mullite and sillimanite. American Mineralogist, 100(7): 1493-1501, http://dx.doi.org/10.2138/am-2015-4966.
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